Im Universum gibt es fast keine Antimaterie. Warum?

Wenn wir uns auf das Universum, auf alle Planeten und Sterne, Galaxien und Ansammlungen, Gas, Staub, Plasma, sehen wir überall die gleichen Signaturen. Wir sehen die Linie Atomare Absorption und Emission, sehen wir, dass die Materie in Wechselwirkung mit anderen Formen der Materie, sehen звездообразование und Tod von Sternen, Kollision, Röntgenstrahlen und vieles mehr. Es gibt eine offensichtliche Frage, die verlangt nach einer Erklärung: warum sehen wir das alles? Wenn die Gesetze der Physik diktieren Symmetrie zwischen Materie und антиматерией, die wir sehen, sollte nicht existieren.

Aber wir sind hier, und niemand weiß, warum.

Warum im Universum keine Antimaterie?

Denken Sie über diese beiden gegensätzlichen, auf den ersten Blick, Fakten:

1. Jede Wechselwirkung zwischen den Teilchen, die wir jemals beobachteten bei allen Energien, in Kisten verpackt und nie nicht zerstörte ein Stück Materie, ohne dass bei diesem und nicht zerstören die gleiche Anzahl von Teilchen аниматерии. Körperliche Symmetrie zwischen Materie und антиматерией sehr streng, denn:

• jedes mal, wenn wir schaffen Quark oder лептон, wir schaffen auch антикварк und антилептон;
• jedes mal, wenn Quark oder лептон zerstört, антикварк oder антилептон auch zerstört wird;
• erstellte oder entsorgte Leptonen und антилептоны müssen im Gleichgewicht für die ganze Familie летпонов und jedes mal, wenn Quark oder лептон interagieren, das Gesicht oder zerfallen, Anzahl der Quarks und Leptonen am Ende der Reaktion (Quarks minus антикварки, Leptonen minus антилептоны) muss und wird so wie es war im Anfang.

Die Einzige Möglichkeit, ändern Sie die Menge der Materie im Universum impliziert auch die Veränderung der Mengen von Antimaterie den gleichen Betrag.

Und doch, es gibt die zweite Tatsache.

2. Wenn wir uns auf das Universum, alle Sterne, Galaxien, Gaswolken, Clustern und Superhaufen groß angelegte Struktur, es scheint, als ob das alles besteht aus Materie und nicht aus Antimaterie. Überall, wo Antimaterie und Materie treffen sich im Universum, geschieht eine fantastische Freisetzung von Energie aus der Annihilation von Teilchen.

Aber wir sehen keine Anzeichen für eine Zerstörung der Substanz Antimaterie im größten Ausmaß. Wir sehen keine Anzeichen dafür, dass einige aus Sternen, Galaxien oder Planeten, die wir sehen, bestehen aus Antimaterie. Wir sehen nicht die charakteristischen Gammastrahlen, die Sie sollten erwarten, zu sehen, wenn die Antimaterie mit der Materie konfrontiert und аннигилировала. Stattdessen überall sehen wir nur die Materie, wo man auch hinschaut.

Und es scheint unmöglich. Einerseits, es gibt keinen bekannten Weg, um mehr Substanz, als Antimaterie, wenn Sie auf die Teilchen und Ihre Wechselwirkung im Universum. Andererseits, alles, was wir sehen, auf jeden Fall besteht aus Materie und nicht Antimaterie.

In der Tat, wir beobachteten Materie-Antimaterie anihilation in einigen extremen astrophysikalischen Bedingungen, aber nur in der Nähe von гиперэнергетических Quellen, die einen Stoff produzieren und Antimaterie in gleichen Mengen — schwarze Löcher, zum Beispiel. Wenn Antimaterie kollidiert mit der Substanz im Universum, es produziert die Gamma-Strahlen sehr spezifischen Frequenzen, die wir dann entdecken. Interstellar intergalaktischen Mittwoch ist voller Material, und das völlige fehlen dieser Gammastrahlen ist ein starkes Signal, dass nie mehr keine große Menge Antimaterie-Teilchen, da dann die Signatur der Materie-Antimaterie wäre entdeckt.

Wirfst du ein Stück Antimaterie in unserer Galaxie, es dauert etwa 300 Jahre, bevor Sie zerstört werden Teilchen der Materie. Diese Einschränkung sagt uns, dass in der Milchstraße die Zahl der Antimaterie darf nicht mehr als Partikel auf den Wert 1 Billiarden (10¹⁵), relativ zu der Gesamtmenge der Materie.

Auf der Dur — Tonleiter- Tonleiter-Satelliten-Galaxien, den großen Galaxien der Größe der Milchstraße und sogar Galaxienhaufen — Beschränkungen sind weniger streng, aber immer noch sehr stark. Beobachten Entfernungen von mehreren Millionen Lichtjahren bis zu drei Milliarden Lichtjahre, die wir beobachteten Mangel an Röntgen-und Gamma-Strahlen, die könnten darauf hindeuten, Vernichtung von Materie und Antimaterie. Auch in den großen kosmologischen Skalen 99,999% dessen, was existiert in unserem Universum, auf jeden Fall wird präsentiert von der Materie (wie wir) und nicht антиматерией.

Wie wir in diese Situation geraten, dass das Universum besteht aus einer großen Menge von Materie und praktisch keine Antimaterie enthält, wenn die Gesetze der Natur absolut symmetrisch zwischen Materie und антиматерией? Nun gibt es zwei Möglichkeiten: entweder das Universum wurde geboren mit einer Menge von Materie als Antimaterie, oder dass etwas passiert ist in einem frühen Stadium, wenn das Universum war sehr heiß und dicht, und führte zu einer Asymmetrie von Materie und Antimaterie, die ursprünglich nicht war.

Die Erste Idee wissenschaftlich zu überprüfen, ohne Erholung das ganze Universum nicht funktionieren, aber die zweite ist sehr überzeugend. Wenn unser Universum in irgendeiner Weise hat eine Asymmetrie von Materie und Antimaterie dort, wo es ursprünglich nicht war, dann die Regeln, die dann arbeiten, bleiben unverändert und heute. Wenn wir klug genug sind, können wir entwickeln experimentelle Tests, offenbaren die Herkunft der Materie in unserem Universum.

In den späten 1960er Jahren der Physiker Andrej Sacharow definiert drei Voraussetzungen für бариогенеза oder eine größere Anzahl von барионов (Protonen und Neutronen) als антибарионов. Hier sind Sie:

1. das Universum muss nicht-Gleichgewichts-System.
2. es sollten C - und CP-Verletzung.
3. Interaktionen, die gegen барионное Zahl.

Die Erste einfach beobachten, da die expandierenden und остывающая das Universum mit instabiler Teilchen in ihm (und античастицами) per definitionem außerhalb des Gleichgewichts. Das zweite ist auch einfach, da die C-Symmetrie (Ersatz der Teilchen античастицами) und CP-Symmetrie (Ersatz der Teilchen jedoch gespiegelt античастицами) verletzt in einer Vielzahl von schwachen Wechselwirkungen mit seltsamen, Charmed Quarks und den schönen.

Bleibt die Frage, wie stören барионное Zahl. Experimentell beobachteten wir, dass das Gleichgewicht von Quarks zu антикваркам und Leptonen zu антилептонам explizit gespeichert. Aber im Standardmodell der Teilchenphysik gibt es nicht explizit dem Gesetz der Erhaltung der für keine von diesen Größen getrennt.

Drei Quarks zu tun барион, also auf alle drei Quarks weisen wir барионное Zahl (B) 1. Ebenso jeder лептон erhält лептонное Anzahl (L) 1. Антикварки, антибарионы und антилептоны werden negative zahlen B und L.

Aber nach den Regeln des Standardmodells bleibt nur der Unterschied zwischen барионами und лептонами. Unter den richtigen Umständen können Sie nicht nur die Erstellung zusätzlicher Protonen, sondern Elektronen. Die genauen Umstände sind unbekannt, aber die Große Explosion gab Ihnen die Möglichkeit, realisiert zu werden.

Die frühesten Phasen des Universums beschreibt die unglaublich hohen Energien: hoch genug, um einen jeden bekannten Teilchen und Antiteilchen in großer Zahl entlang der berühmten Formel von Einstein E = mc². Wenn die Schaffung und Vernichtung von Teilchen so funktioniert, wie wir denken, muss das frühe Universum war gefüllt sein gleich der Anzahl der Teilchen der Materie und Antimaterie, die sich gegenseitig verwandelten sich in einander, da die zur Verfügung stehende Energie blieb extrem hoch.

Im Zuge der Expansion und Abkühlung des Universums instabile Teilchen, einmal erstellt, in Hülle und fülle, zerstört werden. Bei Einhaltung der richtigen Bedingungen — insbesondere drei Bedingungen Sacharow — dies kann dazu führen, dass die überschüssigen Substanzen über Antimaterie, auch wenn es ursprünglich nicht war. Die Aufgabe für die Physiker — Szenario schaffen eine tragfähige, entsprechende Beobachtungen und Experimente, die Ihnen genügend überschüssige Stoffe über Antimaterie.

Es gibt drei grundlegende Möglichkeiten des Entstehens dieses überschüssige Stoffe über Antimaterie:

• Neue Physik in электрослабом Maßstab kann erheblich erhöhen Sie die Anzahl der C - und CP-Verletzung im Universum, was zu einer Asymmetrie zwischen Materie und Antimaterie. Wechselwirkungen des Standard-Modells (durch den Prozess сфалерона), die gegen B und L einzeln (aber behalten B — L), schaffen können, die das Volumen барионов und Leptonen.
• die Neue Physik von Neutrinos mit hohen Energien, die uns Universum spielt, könnte eine fundamentale Asymmetrie der Leptonen: лептогенез. Сфалероны, die B — L, dann könnten лептонную Asymmetrie für die Erstellung барионной Asymmetrien.
• Oder бариогенез in der Skala der Theorie der großen Vereinigung, wenn die neue Physik (neue Teilchen) gibt es in der Skala der große Vereinigung, wenn электрослабая Energie verschmilzt mit starken.

Bei diesen Szenarien gibt es gemeinsame Elemente, deshalb betrachten wir die Letzte von Ihnen, nur zum Beispiel, um zu verstehen, was passieren könnte.

Wenn die Theorie der großen Vereinigung Verne, müssen die neuen, superschweren Teilchen, genannt X und Y, die haben барионоподобными und лептоноподобными Eigenschaften. Sollte auch Ihre Partner aus Antimaterie: Anti-X-und Anti-Y, mit unterschiedlichen Anzahlen von B — L und entgegengesetzten Ladungen, aber mit einer Masse und Zeit des Lebens. Diese paar Teilchen-Antiteilchen erzeugt werden, in großen Mengen bei relativ hohen Energien, um später zu zerfallen.

Also, wir füllen das Universum von Ihnen, und dann zerfallen Sie. Wenn wir ein C - und CP-Verletzung wird vielleicht kleine Unterschiede darin, wie zerfallen Teilchen und Antiteilchen (X -, Y-und Anti-X, anti-Y).

Wenn X-Teilchen gibt es zwei Möglichkeiten: Zerfall in zwei Top-Quarks oder zwei Anti-Quark unteren und ivasiuka, dann anti-X muss zwei passende Wege: zwei Anti-oberen Quark oder unten Quark und Elektron. Es ist ein wichtiger Unterschied, zulässig, wenn die Verletzung der C - und CP: X kann mit größerer Wahrscheinlichkeit zerfallen auf zwei Top-Quark als Anti-X — auf zwei Anti-oberen Quark, dann als Anti-X mit größerer Wahrscheinlichkeit zerfallen in die untere Quark und Elektron, als X — auf Anti-Top Quark und ivasiuka.

Bei Vorhandensein von der ausreichenden Zahl der Paare und des Zerfalls auf diese Weise können Sie leicht die überschüssige барионов über антибарионами (und Leptonen über антилептонами), wo es früher nicht war.

Dies ist nur ein Beispiel zur Veranschaulichung unsere Vorstellung davon, was passiert ist. Wir begannen mit einem vollständig symmetrischen Universum, unterliegt allen bekannten Gesetzen der Physik, und mit einem heißen, dichten, reichen Zustand, gefüllt mit Materie und антиматерией in gleichen Mengen. Durch einen Mechanismus, der uns noch bestimmt werden, unter drei Bedingungen Sacharow, diese natürlichen Prozesse letztlich haben überschüssige Stoffe über Antimaterie.

Die Tatsache, dass wir existieren und besteht aus Materie, ist nicht zu leugnen; die Frage ist, warum unser Universum enthält etwas (die Materie), und nicht nichts (denn Materie und Antimaterie war gleichmäßig). Vielleicht in diesem Jahrhundert finden wir die Antwort auf diese Frage.

Was denken Sie, warum im Universum gibt es fast keine Antimaterie? Erzählen Sie .